DE212012000091U1 - pump rotor - Google Patents
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Abstract
Vakuumpumpenrotor zur Verwendung in einer Vakuumpumpe mit einem Roots-Pumpenmechanismus, wobei der Rotor mindestens zwei hohle Nocken aufweist, wobei jeder Nocken eine Außenwand, die ein Nockenprofil definiert, einen Hohlraum im allgemeinen innerhalb der Außenwand, und mindestens eine Verstärkungsrippe hat, die in dem Hohlraum angeordnet ist, um einer Beanspruchung der Nocken zu widerstehen, die während der Drehung erzeugt wird.A vacuum pump rotor for use in a vacuum pump with a Roots pump mechanism, the rotor having at least two hollow cams, each cam having an outer wall that defines a cam profile, a cavity generally within the outer wall, and at least one reinforcing rib that is in the cavity is arranged to withstand stress on the cams generated during rotation.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine umlaufende Verdrängerpumpe und einen Rotor einer solchen Pumpe. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Roots-Pumpen (auch als Roots-Gebläse bekannt).The invention relates to a rotary positive displacement pump and a rotor of such a pump. In particular, the invention relates to Roots pumps (also known as Roots blowers).
Roots-Pumpen weisen typischerweise ein Paar ineinander greifender, mit Nocken versehener Rotoren auf, die in einem Gehäuse umlaufen und bewirken, dass Strömungsmittel in Taschen eingefangen werden, welche die Nocken umgeben, und vom Pumpeneinlass zum Pumpenauslass befördert wird. Die Rotoren berühren einander nicht wirklich, so dass kein Schmiermittel erforderlich ist. Das macht Roots-Pumpen in Anwendungsfällen wünschenswert, wo eine Kontaminierung des Strömungsmittels ein Problem darstellt, beispielsweise bei der Halbleiterverarbeitung.Roots pumps typically include a pair of intermeshed cammed rotors that revolve in a housing and cause fluid to be trapped in pockets surrounding the cams and conveyed from the pump inlet to the pump outlet. The rotors do not really touch each other, so no lubricant is required. This makes Roots pumps desirable in applications where contamination of the fluid poses a problem, for example in semiconductor processing.
Ein vereinfachtes Schema einer typischen Roots-Pumpe
Auf den Wellen sind Paare von Rotornocken
Typische Roots-Pumpen haben eine annehmbar hohe Pumpenkapazität, aber für manche Anwendungen ist es wünschenswert, die Kapazität der Pumpe weiter zu steigern. Dies kann erreicht werden, während die Nockenspitzengeschwindigkeit aufrecht erhalten wird, durch Vorsehen einer größeren Pumpe mit größeren Nocken. Jedoch ist dies insoweit nachteilig, als die Pumpen teurer werden, und wenn ein Unfall passiert, beispielsweise wenn die Rotoren aufeinander prallen, kann die gesteigerte Energie der Nocken ausreichend sein, damit die Nocken durch das Pumpengehäuse hindurch brechen und Schaden oder Verletzung erzeugen.Typical Roots pumps have an acceptably high pump capacity, but for some applications it is desirable to further increase the capacity of the pump. This can be achieved while maintaining the cam tip speed by providing a larger pump with larger cams. However, this is disadvantageous in that the pumps become more expensive, and when an accident occurs, for example, when the rotors collide, the increased energy of the cams may be sufficient for the cams to break through the pump housing and cause damage or injury.
Alternativ kann die Kapazität der Pumpe erhöht werden, indem man die Rotoren schneller umlaufen lässt. Eine typische Nockenspitzengeschwindigkeit während des Umlaufs ist kleiner als 100 m/s, und oftmals kleiner als 80 m/s. Eine signifikante Erhöhung der Geschwindigkeit an der Spitze der Nocken auf beispielsweise 130 m/s würde es ermöglichen, die Nocken kleiner zu machen, und die Kosten der Pumpe zu reduzieren. Jedoch selbst dann, wenn die Nocken weniger massiv sind, bewirkt die erhöhte Drehzahl eine Steigerung der Nockenenergie, und im Falle eines Unfalls kann ebenfalls ein Schaden oder eine Verletzung bewirkt werden. Es sollte außerdem beachtet werden, dass eine Steigerung der Drehzahl eine größere Zunahme der kinetischen Energie als eine Steigerung der Masse bewirkt, da die Energie proportional zur Masse ist, aber proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit ist.Alternatively, the capacity of the pump can be increased by allowing the rotors to spin faster. A typical cam tip speed during orbit is less than 100 m / s, and often less than 80 m / s. Significantly increasing the speed at the tip of the cams to, for example, 130 m / s would make it possible to make the cams smaller and reduce the cost of the pump. However, even if the cams are less massive, the increased speed causes an increase in cam energy, and damage or injury may also be caused in the event of an accident. It should also be noted that increasing the speed causes a greater increase in kinetic energy than an increase in mass because the energy is proportional to mass but proportional to the square of the speed.
Herkömmliche Rotoren sind gewöhnlich aus einem massiven Materialblock hergestellt, typischerweise aus Eisenguss. Solche Rotoren können in verschiedener Weise hergestellt werden, einschließlich des Gießens massiver Nocken und einer Welle einstückig miteinander, oder des Gießens massiver Nocken und Befestigen der Nocken an einer Welle zur Bildung des Rotors.Conventional rotors are usually made of a solid block of material, typically cast iron. Such rotors can be made in a variety of ways, including casting solid cams and shaft integrally with one another, or casting solid cams and securing the cams to a shaft to form the rotor.
Bekannte Nocken können durch Gießen eines massiven Nocken und anschließendes Bohren eines Lochs darin zur Reduzierung seines Gewichts hergestellt werden.Known cams can be made by casting a solid cam and then drilling a hole therein to reduce its weight.
Die vorliegende Erfindung beabsichtigt die Steigerung der Pumpenkapazität solcher umlaufender Verdrängerpumpen durch weitere Reduzierung des Gewichts der Rotoren für eine gegebene Pumpengröße. Die vorliegende Erfindung bezweckt auch die Lösung bekannter Probleme des Verwendens hohler Nocken, insbesondere die Probleme des sicherstellens, dass die Nockenwände stark genug bleiben, um betrieblichen Beanspruchungen stand zu halten und sich nicht außerhalb der Toleranz zu verformen.The present invention intends to increase the pump capacity of such rotary positive displacement pumps by further reducing the weight of the rotors for a given pump size. The present invention also aims to solve known problems of using hollow cams, in particular the problems of ensuring that the camming walls remain strong enough to withstand operational stresses and not to deform out of tolerance.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Vakuumpumpenrotor zur Verwendung in einer Vakuumpumpe mit einem Roots-Pumpenmechanismus vorgesehen, wobei der Rotor mindestens zwei hohle Nocken aufweist, wobei jede Nocke eine äußere Wand, die ein Nockenprofil definiert, einen im allgemeinen innerhalb der äußeren Wand befindlichen hohlen Raum, und mindestens eine Verstärkungsrippe innerhalb des Hohlraums aufweist, um während der Drehung erzeugten Beanspruchungen auf die Nocken standzuhalten.According to the present invention, there is provided a vacuum pump rotor for use in a vacuum pump having a roots pump mechanism, the rotor having at least two hollow cams, each cam having an outer wall defining a cam profile, generally within the outer wall hollow space, and having at least one reinforcing rib within the cavity to withstand stresses generated during rotation on the cams.
Die oder jede Verstärkungsrippe kann entlang einer Innenwand der Nocken verlaufen. Die oder jede Verstärkungsrippe kann ein veränderliches Ausmaß haben und kann innerhalb des Hohlraums in Abhängigkeit von den im Betrieb auf die Nocken ausgeübten variierenden Beanspruchungen verteilt sein.The or each reinforcing rib may extend along an inner wall of the cams. The or each reinforcing rib may have a variable extent and may be distributed within the cavity depending on the varying stresses applied to the lobes during operation.
Die äußere Wand kann eine veränderliche Dicke haben und ist an einem radial inneren Teil dicker als an der Nockenspitze.The outer wall may have a variable thickness and is thicker at a radially inner portion than at the cam tip.
Die äußere Wand der Nocken kann eine solche Dicke haben, dass sich die Nocken unter Zentrifugalbelastung verformen, wenn der Rotor im Betrieb gedreht wird, und die Verformung ist größer als Fertigungstoleranzen. Die Nockenprofile können eine optimale Konfiguration in einem ersten Zustand haben, in welchem der Rotor im Betrieb gedreht wird, und in einem zweiten Zustand, wenn der Rotor nicht gedreht wird und das Nockenprofil sich nicht in einer optimalen Konfiguration befindet, und wobei der Nocken sich aus dem zweiten Zustand in den ersten Zustand verformt, wenn die Spitzengeschwindigkeit der Nocken größer als 100 m/s ist.The outer wall of the cams may have a thickness such that the cams deform under centrifugal load when the rotor is rotated during operation, and the deformation is greater than manufacturing tolerances. The cam profiles may have an optimal configuration in a first state in which the rotor is rotated during operation, and in a second state when the rotor is not rotated and the cam profile is not in an optimal configuration, and wherein the cam is out deformed to the second state in the first state, when the peak speed of the cam is greater than 100 m / s.
Vorzugsweise beträgt das Verhältnis von der Dicke der Wand zu einem Radius an der Nockenspitze weniger als 1:20. Die Wanddicke kann weniger als 5 Millimeter betragen, wenn der Radius der Nockenspitze mindestens 100 Millimeter beträgt.Preferably, the ratio of the thickness of the wall to a radius at the cam tip is less than 1:20. The wall thickness can be less than 5 millimeters if the radius of the cam tip is at least 100 millimeters.
Jeder hohle Nocken kann eine Mehrzahl von hohlen Nockenabschnitten aufweisen, die in axialer Folge entlang des Rotors verbunden sind und zusammen den Nocken bilden.Each hollow cam may have a plurality of hollow cam portions which are connected in axial sequence along the rotor and together form the cam.
Jeder der hohlen Nockenabschnitte kann einen Flansch haben, der sich umfangsmäßig und radial einwärts um mindestens ein axiales Ende des Abschnitts erstreckt, um benachbarte Abschnitte miteinander zu verbinden.Each of the hollow cam portions may have a flange extending circumferentially and radially inwardly around at least one axial end of the portion to interconnect adjacent portions.
Ein oder mehrere Löcher können in den Flanschen vorgesehen sein, um die hohlen Nockenabschnitte durch Befestigungselemente aneinander zu befestigen.One or more holes may be provided in the flanges to fasten the hollow cam portions together by fasteners.
Jeder Nocken kann weiter zwei Endflächen zum Abschließen des Hohlraums an jedem axialen Ende des Nockens aufweisen.Each cam may further include two end surfaces for closing the cavity at each axial end of the cam.
Der Rotor kann eine Welle aufweisen, und die Nocken können Mittel aufweisen, mittels derer der Nocken an der Welle befestigt werden kann, wobei die Nocken und die Welle so geformt sind, dass sie ein etwa kontinuierliches Profil der mindestens zwei Nocken und der Welle bilden.The rotor may have a shaft, and the cams may include means by which the cam may be secured to the shaft, the cams and the shaft being shaped to form an approximately continuous profile of the at least two cams and the shaft.
Der hohle Nocken und die Welle des Rotors können dafür ausgebildet sein, dass sie mittels einer Schwalbenschwanz- oder ähnlichen Verbindung zusammengesetzt werden können, so dass die Radialbewegung des hohlen Nockenabschnitts mit Bezug auf die Welle des Rotors minimiert wird.The hollow cam and the shaft of the rotor may be adapted to be assembled by means of a dovetail or similar connection so as to minimize the radial movement of the hollow cam portion with respect to the shaft of the rotor.
Der Rotor kann Entlüftemittel aufweisen, damit der Druck innerhalb des Hohlraums sich im wesentlichen mit dem Druck außerhalb der hohlen Nocken ausgleichen kann. Die Entlüftemittel können ein Filter zum Ausfiltern von Ablagerungen aus Gas aufweisen, das durch die Entlüftemittel in den Hohlraum befördert wird.The rotor may include venting means for allowing the pressure within the cavity to substantially equalize with the pressure outside the hollow cams. The venting means may include a filter for filtering out deposits of gas carried by the venting means into the cavity.
Die Erfindung beinhaltet auch eine Vakuumpumpe mit einem Rotor, wie oben beschrieben.The invention also includes a vacuum pump with a rotor as described above.
Die Pumpe kann eine Mehrzahl von Pumpenstufen umfassen, die jeweils eine Pumpenkammer und mindestens zwei Nocken aufweisen.The pump may include a plurality of pump stages each having a pumping chamber and at least two cams.
Mindestens eine der Pumpenstufen kann einen Nocken mit einer Mehrzahl von Nockenabschnitten aufweisen, die in axialer Folge miteinander verbunden sind.At least one of the pump stages may include a cam having a plurality of cam portions connected in axial sequence.
Die Verstärkungsrippen in den Nockenhohlräumen können sich in jeweils radialen Ebenen relativ zu den Achsen der Rotorwellen erstrecken, und die Radialebenen der Nocken eines Rotors sind nicht fluchtend mit den Radialebenen des anderen Rotors.The reinforcing ribs in the cam cavities may extend in respective radial planes relative to the axes of the rotor shafts, and the radial planes of the lobes of one rotor are out of alignment with the radial planes of the other rotor.
Die Teile der Nocken zwischen radialen Ebenen können so angeordnet sein, dass sie sich verformen, wenn die mit den radialen Ebenen fluchtenden Teile der Nocken aufschlagen, um Energie der Rotoren im Fall eines zufälligen Rotoraufschlags zu absorbieren.The portions of the cams between radial planes may be arranged to deform when the radial plane aligned portions of the cams strike to absorb energy of the rotors in the event of a random rotor impact.
Die vorliegende Erfindung schafft auch ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors für eine Vakuumpumpe, wobei das Verfahren das Vorsehen des Rotors mit mindestens zwei hohlen Nocken umfasst, von denen jeder Nocken eine äußere Wand hat, die ein Nockenprofil und einen Hohlraum im wesentlichen innerhalb der äußeren Wand definiert, und wobei innerhalb des Hohlraums mindestens eine Verstärkungsrippe angeordnet ist, um der während der Drehung auf die Nocken erzeugten Beanspruchung stand zu halten.The present invention also provides a method of manufacturing a rotor for a vacuum pump, the method comprising providing the rotor with at least two hollow cams, each cam having an outer wall defining a cam profile and a cavity substantially within the outer wall and wherein within the cavity at least one reinforcing rib is arranged to withstand the stress generated on the cams during rotation.
Die vorliegende Erfindung wird nun mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:The present invention will now be described with reference to the accompanying drawings, in which:
Die
An den Wellen sind Paare von Rotornocken
Hochfeste Schrauben
Die Konfiguration der Nocken, die eine dünne Wand und einen Hohlraum haben, reduziert die Masse der Nocken, während das äußere Nockenprofil aufrechterhalten bleibt. Da die Masse reduziert ist, können die Rotoren schneller umlaufen, ohne dass die Menge der in den umlaufenden Nocken gespeicherten Energie zunimmt. Beispielsweise können die Rotoren mit einer Nockenspitzengeschwindigkeit von mehr als 100 m/s und vorzugsweise um etwa 130 m/s umlaufen. Bei bekannten Konstruktionen würde ein Umlaufen der Rotoren bei solchen Geschwindigkeiten die gespeicherte Energie in den Rotoren oberhalb akzeptabler Grenzen steigern, mit der Gefahr der Beschädigung oder Verletzung im Fall eines Unfalls. Es sollte auch beachtet werden, dass ein Drehen eines dünnwandigen hohlen Nockens mit Geschwindigkeiten um etwa 130 m/s die Verwendung der oben erörterten Verstärkungsrippen erfordert, die zum Absorbieren der erhöhten Beanspruchungen der Nocken notwendig sind. Selbst mit den Verstärkungsrippen verformen sich die Nocken bei hohen Drehgeschwindigkeiten aufgrund der Zentrifugalbelastung. Die dadurch verursachte Deformation ist größer als Fertigungstoleranzen. In dieser Hinsicht kann die Deformation an der Nockenspitze 0,5 bis 1 Millimeter betragen, während Fertigungstoleranzen 0,1 bis 0,2 Millimeter betragen können. Daher sind Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung so ausgelegt, dass die Nocken einen optimalen Pumpzustand einnehmen, wenn sie bei hohen Drehzahlen gedreht werden. Das heißt, die Nocken verformen sich unter Zentrifugalbelastung bei hohen Drehzahlen, um eine optimale Konfiguration einzunehmen. Bekannte Pumpen verformen sich unter der Belastung, aber weniger als die Herstellungstoleranzen von beispielsweise bis 0,1 bis 0,2 Millimeter. The configuration of the cams, which have a thin wall and a cavity, reduces the mass of the cams while maintaining the outer cam profile. As the mass is reduced, the rotors can revolve faster without increasing the amount of energy stored in the rotating cams. For example, the rotors may rotate at a cam tip speed of greater than 100 m / s, and preferably about 130 m / s. In known designs, rotating the rotors at such speeds would increase the stored energy in the rotors above acceptable limits, with the risk of damage or injury in the event of an accident. It should also be noted that rotating a thin-walled hollow cam at speeds of about 130 m / s requires the use of the reinforcing ribs discussed above, which are necessary to absorb the increased stresses on the cams. Even with the reinforcing ribs, the cams deform at high rotational speeds due to centrifugal loading. The deformation caused thereby is greater than manufacturing tolerances. In this regard, the deformation at the cam tip can be 0.5 to 1 millimeter, while manufacturing tolerances can be 0.1 to 0.2 millimeter. Therefore, embodiments of the present invention are designed so that the cams assume an optimal pumping condition when rotated at high speeds. That is, the cams deform under centrifugal load at high speeds to achieve optimum configuration. Known pumps deform under load but less than manufacturing tolerances of, for example, 0.1 to 0.2 millimeters.
Daraus folgt notwendigerweise, dass bei niedrigen Geschwindigkeiten die hohlen Nocken nicht in einem optimalen Pumpzustand sind und daher Spalte zwischen den Nockenprofilen und zwischen den Nockenprofilen und der bestrichenen Oberfläche der Pumpenkammer vorhanden sind. Diese Spalte bewirken Leckage und reduzieren die Pumpeneffizienz, jedoch ist die reduzierte Effizienz bei niedrigen Drehzahlen ein akzeptabler Nachteil für das gesteigerte Pumpen bei hohen Drehzahlen.It necessarily follows that at low speeds, the hollow cams are not in an optimal pumping state and therefore there are gaps between the cam profiles and between the cam profiles and the swept surface of the pumping chamber. These gaps cause leakage and reduce pump efficiency, but the reduced efficiency at low speeds is an acceptable disadvantage for increased pumping at high speeds.
Mehr in Einzelnen, der Nocken verformt sich radial auswärts an der Nockenspitze
Diese Nockenkonfiguration ermöglicht die Verwendung viel dünnerer Nockenwände (und daher Nocken mit leichterer Masse), als wenn ein sich nicht verformendes Design angewendet würde. Des weiteren ist die Rotorwelle
Die Pumpenkammer
Die Pumpenkammer
Die Endwände
Im Betrieb wirkt jede der Pumpenkammern zum Pumpen von Strömungsmittel von ihrem Einlaß zu ihrem Auslaß. Der Auslaß einer Pumpenkammer steht über eine Endwand
Vier Pumpenkammern sind in
Alle obigen Beispiele zeigen die Endflächen
Der Rotor
Wie in
Man kann sehen, daß die vorliegende Erfindung Rotoren mit einem hohen Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht bereitstellt. In den Zeichnungen beherbergen die Pumpenkammern zwei Rotoren, die ineinandergreifende Nocken haben, aber die Erfindung ist in gleicher Weise auf andere Konfigurationen anwendbar, wie beispielsweise Rotoren mit drei oder mehr Nocken.It can be seen that the present invention provides rotors with a high strength to weight ratio. In the drawings, the pump chambers house two rotors having intermeshing cams, but the invention is equally applicable to other configurations, such as rotors having three or more cams.
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R082 | Change of representative |
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